飛思卡爾智能車競賽賽道新規則解析

賈 超，卜旭芳，陳曉芳，安文倩，李 昆

（燕京理工學院 河北 廊坊 065201）

為了加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養，教育部高等自動化專業教學指導委員會主辦全國大學生“飛思卡爾”智能汽車競賽。在該競賽中，比賽隊伍分為光電組、攝像頭組和電磁組，每支參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路徑的智能車，在專門的跑道上自動識別道路行駛，以完成時間最短者為優勝。本文以第九屆全國大學生“飛思卡爾”智能車競賽為背景，對比分析了本屆與第八屆比賽規則的不同之處，并給出了新規則的處理方法及注意事項，希望對參加比賽的同學有所幫助。

1 賽道新規則

1.1 賽道寬度

光電組和攝像頭平衡組的賽道兩邊有黑色的邊線作為導引線，要求賽道寬度不小于45 cm，賽道與賽道中心線之間的距離不小于60 cm。對于電磁組則沒有賽道寬度的限制，但是為了保證車模能夠完成賽道一圈的運行，要求車模必須經過賽道上所有要求通過的路段標志。

1.2 曲線彎道

賽道中具有多段曲線彎道，這些彎道可以形成圓形環路，圓形拐彎，S型賽道等。賽道的中心線的曲率半徑大于50 cm。如圖1所示。

圖1 曲線賽道Fig.1 Curve track

1.3 強制掉頭路口

光電組和攝像頭平衡組賽道具有掉頭路口。車模允許在此區域掉頭，或者改變車模的方向。車模可以在比賽開始時手動設置或者比賽過程中自動識別從一條道路駛入，從另外一條道路使出。掉頭區域長度為1.5 m。其中鋪有斑馬線，線寬和間距都是10 cm。斑馬區的第一條黑線距離兩條內側交匯點50 cm。交匯的兩條道路可以是直線，也可以是曲線。斑馬區的中心線處于交會角的角平分線上。如圖2所示。

圖2 強制掉頭路口Fig.2 Forced to turn round crossing

1.4 賽道障礙

路障由兩塊磚頭疊放封裝后放置在賽道的一側。路障內側與賽道中心線距離為8 cm。標準磚頭的尺寸為：240 mm*115 mm*53 cm，如圖 3所示。

圖3 障礙賽道Fig.3 Barrier track

1.5 不對稱坡道

本屆的坡道可以是不對稱坡道，坡度不超過30°，坡道的過渡弧長大于10 cm。坡道的長度、高度沒有限制。一般情況下總長度會在1.5 m左右。如圖4所示。

圖4 不對稱坡道Fig.4 Asymmetric ramp

1.6 電磁直角彎道

電磁組賽道具有直角彎道，直角彎道的角度大于90°[1]。如圖5所示。

圖5 直角彎道Fig.5 90°curve

2 循跡原理

光電組和攝像頭平衡組的賽道導引線是分布在賽道兩側的黑色邊界線，通過導引線引導車模完成比賽，但要求光電組車模在運行過程中必須保證有3個車輪同時在賽道的邊界線內，光電組用光電傳感器或者指定型號的線性CCD傳感器檢測路面信息。大部分參賽隊伍采用線性CCD傳感器，其原理為：該傳感器的AO口依次輸出各像素點的模擬量的電壓值信號。通過模數轉換模塊將模擬量轉換成數字量，然后將128個像素點分成兩半，一邊64個像素點。確定合適的閾值后，將采集到的電壓信號進行二值化處理。分別記錄左、右兩邊64個像素點由白變黑的點，對左、右由白變黑的坐標，求算數平均值，與CCD的中心點坐標比較，算出車模偏移量，從而做出相應的調整，引導車模大致循跡行駛[2]。

攝像頭平衡組要求車模在運行過程中必須保證車模的兩個車輪同時在賽道的邊界線內，通過攝像頭采集道路圖像（一維或者二維）。將采集到的圖像利用閾值法或者邊界法進行分割處理，圖像經過分割二值化后，將每一行的黑白跳變點按從右到左的順序記錄下來，保存到兩個二維數組里（分別表示上升沿、下降沿）。通過遍歷上升沿和下降沿可以完成賽道邊沿的提取。提取的道路的信息主要包括：賽道變化的幅度，賽道兩側邊沿點位置、通過校正計算出來的賽道中心位置，中心點規劃面積，從而可以進行賽道類型的判別[3-5]。

對于電磁組，導引線為一條鋪設在賽道上的直徑為0.1-1.0 mm漆包線，其中通有20 kHz，100 mA的交變電流。頻率范圍（20k±1k），電流范圍（100±20 mA）。由于導引線會發出的20 kHZ的交變電磁波，根據磁感線的閉合性和方向性，通過兩個線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產生的感應電動勢方向相同，所以，比較兩個線圈中產生的感應電動勢即可判斷出賽車的相對于賽道中線的位置，進而做出調整，引導車模大致循跡行駛[4-6]。

3 新規則的處理方法及注意事項

3.1 賽道寬度

本屆比賽對于電磁組賽道的寬度不做要求，但是要求必須經過路段標志，這些賽道標識都畫在賽道表面并與電磁導引線中心對齊。對于參賽隊伍來說這部分可能是一個“取巧”的重要部分，沒有賽道限制只要經過路段標志即可，是否可以通過第一輪的試車階段記憶路段標志位置，通過大量的數據分析，按照兩點之間直線最短的原則找出一條最佳路徑。或者在實際組裝賽車時，選擇多個電感并且電感以不同的角度擺放來增加車模的前瞻，從而提高比賽成績。

3.2 曲線彎道

彎道是車模提升速度節省比賽時間的關鍵，處理不好會限制車模的速度。彎道的半徑越小，對車模的速度限制越大，因此對車模的控制能力也要求越高。在彎道行駛時，切彎路徑的選擇會影響車模的運行時間，在調試車模時，各個組別要注意通過優化算法來擺脫彎道對車模的束縛，提高車速來完成比賽。

3.3 強制掉頭路口

本屆光電組和攝像頭平衡組的賽道具有掉頭路口，要求車模在此區域掉頭或者改變車模的方向，掉頭區域長度為1.5米，鋪有斑馬線，這就要求光電組和攝像頭平衡組有足夠大的前瞻，能夠較早的檢測到斑馬線，及時剎車減速掉頭，從另一條道路使出。光電組可以采用兩個線性CCD（一前一后），當前線性CCD采集到斑馬線并到達轉彎路口時，立即啟動使用后線性CCD[7-8]，動力輪在前，轉向輪在后，從而使車模掉頭。對于攝像頭平衡組來說也可以仿照光電組的形式來應對強制掉頭路口。此外，因為攝像頭平衡組今年兩款車模都是雙電機的情況，應對強制掉頭路段也可以采用差速控制來完成，這就要求車模能夠準確的檢測出轉向方向和轉向角度，這樣可以事先免去車模返行的各種參數的改變，能夠大大減小程序的復雜程度。

3.4 賽道障礙

光電組和攝像頭平衡組組可以根據路障的黑色，電磁組可以利用超聲波傳感器，提前檢測出路障及距離路障的距離，并能夠及時避障減速，當車模順利通過路障后，在進行加速行駛。這些都要求車模有足夠大的前瞻。而且在檢測路障時一點要保證檢測準確性，因為磚頭路障對于車模的傷害可以說是致命性的，尤其是電磁組，其電感支架很脆弱，所以路障處理要在開始調試時就要格外注意。

3.5 不對稱坡道

光電組在過坡道時注意黑線丟失或者車速過快而導致車模行駛不穩，很容易沖出賽道，這就需要車模能夠極早的檢測出坡道并能夠及時剎車減速，同時還要及時檢測出賽車到達坡頂以及坡道后的賽道情況，如果車模因速度過快而出現騰空現象，這就要注意車模的穩定平衡性，能夠使車模騰空落地后不會偏離賽道。

攝像頭平衡組需要利用攝像頭及時檢測出坡道信息，及時減速，使車有后仰的姿勢，防止發生前撲現象。還要注意，就是坡度的加陡，加凸，在車模制作時，車模整體的重力分配是一個很大的考驗，稍有不慎，容易造成翻車。因此在硬件的組裝上，應注意這個問題。

而對于電磁組，上、下坡道會遇到電感的電壓值突變，在上坡時稍微減速防止車速過快而沖出賽道，下坡時利用車模的前瞻檢測下坡后賽道的情況，如果坡道后直接接一個彎道，則需要控制車模的速度在安全范圍內，防止車模沖出坡道后的賽道。同時還要注意前瞻的位置，以免出現前瞻撞到坡道的現象，在組裝車模時要注意車模前瞻的角度和長度，長度過長會出現車體抖動的現象。

對于上述所說的減速，注意速度不要減少的過大，速度過慢會使車模不能完全沖到坡頂，可能在上坡過程中就會停止前進甚至會滑下坡道。此外，還要注意調整車模底盤的高度，以免車模在爬坡時底盤與地面摩擦而損壞車模。

3.6 電磁直角彎道

本屆電磁組賽道具有直角彎道，直角彎道的角度大于90°。直角彎道擺放的漆包線其磁感線分布相互垂直，所以直角彎處橫向擺放電感幾乎沒有電壓信號，這就需要采用合理的電感擺放方式來應對。利用前瞻提前檢測出直角彎道并能夠及時剎車減速實現安全過彎。

4 結束語

通過對賽道新規則的分析，各個組別可以對不同的賽道采用不同的控制方法，使車模能夠極早做出決策，安全通過每種賽道，以最快的速度到達終點。在具體調試車模時，處理各種賽道還要根據具體的車模來選擇不同的方式。

[1]第九屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能車競賽——競速比賽規則與賽場紀律。[EB/OL].[2012-10].http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/.

[2]張春輝，田建超，樊迪．第八屆武漢科技大學光電組首安二隊技術報告[R]，2013.

[3]卓晴，黃開勝，邵貝貝．學做智能車：挑戰“飛思卡爾”杯[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]候代坡，孔琳琳，王碩，等.電磁導航式智能車控制系統研究[J].機械與電子，2013（2）:78-79.HOU Dai-po，KONG Lin-lin，WANG Shuo，et al.Structure study on electromagnetic navigation intelligent vehicle detection and control system[J].Machinery&Electronics，2013（2）:78-79.

[5]劉明，王洪軍，李永科.基于智能車中攝像頭的圖像采集的研究[J].電子設計工程，2012（17）:158-160.LIU Ming，WANG Hong-jun，LI Yong-ke.Research of image collection of CCD based on smart car[J].Electronic Design Engineering，2012（17）:158-160.

[6]山峰，劉剛，郭文俊.第八屆北京科技大學電磁一隊技術報告[R].2013.

[7]薛旭成，趙運隆.高速多通道CCD預放電路設計[J].現代電子技術，2013（15）：160-162.XUE Xu-cheng，ZHAO Yun-long.Design of preamplification circuit for high-speed multi-channel CCD[J].Modern Electronics Technique，2013（15）：160-162.

[8]鄧剛，韓恒利，鐘四成.背照式CCD圖像傳感器減薄技術研究[J].電子科技，2014（2）:68-70.DENG Gang，HAN Heng-li，ZHONG Si-cheng.Backside-illuminated Charge-coupled Devices （CCDS） thinning technology[J].Electronic Science and Technology，2014（2）P68-70.